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Purification des eaux de surface et souterraines

Description​

Les écosystèmes et leurs êtres vivants sont responsables de l'oxygénation, de la filtration, de la séquestration et de la dégradation des polluants, participant ainsi à la purification des eaux de surface et souterraines. Ces activités biologiques peuvent être mesurées de plusieurs manières : indicateurs de respiration microbienne, notre demande en eau de bonne qualité, etc. Ce service est à la base des services de production d'eau en assurant sa qualité.

Ici, seul le processus de dénitrification biologique est abordé. La dénitrification biologique est le processus par lequel le nitrate (NO3-) est transformé en azote (N). Cela réduit la quantité de nitrates dans les eaux souterraines et les eaux de surface, et donc l'eutrophisation. La dénitrification biologique a lieu dans la plupart des écosystèmes. La dénitrification se produit dans les sols mal drainés des forêts, des prairies et des terres agricoles, dans les sols partiellement ou totalement saturés en eau, dans les zones d'infiltration et les zones riveraines, dans les sédiments des rivières, des lacs et des estuaires, etc. Ce service écosystémique contribue à une meilleure qualité de l'eau.

Données d’entrée requises :
  • Texture du sol : donnĂ©e issue de la carte des sols disponible sur Walonmap,
  • Charge en azote en mg N/l des eaux souterraines entrantes : Ă  dĂ©terminer par diverses mĂ©thodes (voir Ă©valuation quantitative).
  • Le niveau moyen le plus Ă©levĂ© des eaux souterraines est la moyenne des 25 % de niveaux les plus Ă©levĂ©s des eaux souterraines dans la zone d’étude cette annĂ©e.
  • Le niveau moyen le plus bas des eaux souterraines est la moyenne des 25 % de niveaux les plus bas des eaux souterraines dans la zone d’étude cette annĂ©e.
  • Si les niveaux des eaux souterraines ne sont pas disponibles, utiliser la classe de drainage que vous pouvez consulter dans la carte des sols disponible sur Walonmap.

Evaluation qualitative​

Le projet ECOPLAN a calculé ce service pour l'ensemble de la Flandre en 2016. Sur la base de la répartition en Flandre, un tableau de scores a été établi, allant de 1 (aucune dénitrification) à 10 (très important pour la dénitrification) (Tableau).

Évaluation quantitative​

Dans les écosystèmes terrestres, l'élimination absolue des nitrates est principalement déterminée par la combinaison d'un niveau d'eau souterraine suffisamment peu profond et de l'approvisionnement en eau souterraine peu profonde contenant des nitrates. Pour calculer le taux d'élimination, le taux de dénitrification maximal potentiel doit être multiplié par le taux de recharge des eaux souterraines.

Les zones où la dénitrification peut potentiellement avoir lieu sont déterminées par l'hydrologie du sol (niveau haut ou bas de la nappe ou classe de drainage). La teneur en humidité du sol a une influence majeure sur la diffusion de l'oxygène, qui est un facteur déterminant pour l'apparition d'une limite entre un environnement riche en oxygène (nitrification) et un environnement pauvre en oxygène (dénitrification). En général, la dénitrification ne se produit que lorsque le sol est saturé d'eau à plus de 60 %.

Tout d'abord, le taux de dénitrification maximal potentiel est dérivé sur la base des niveaux moyens des eaux souterraines (Tableau 14).

Dans un deuxième temps, la vitesse d'alimentation des eaux souterraines peu profondes est calculée. La vitesse d'approvisionnement détermine la mesure dans laquelle la dénitrification peut avoir lieu sur une certaine période de temps et dépend de la texture du sol et de la topographie qui détermine la vitesse et la quantité d'eau souterraine qui s'écoule dans la zone. Plus l'alimentation en eau souterraine de la zone de dénitrification est rapide, plus la dénitrification peut avoir lieu. Un sol plus perméable, comme le sable, aura une vitesse d'alimentation plus élevée et donc un potentiel de dénitrification plus important qu'un sol moins perméable, comme l'argile. Si aucune donnée sur le taux d'approvisionnement n'est disponible, des hypothèses peuvent être formulées en fonction de l'hydrologie et de la texture, en estimant le taux d'approvisionnement maximal en fonction des niveaux des eaux souterraines (Tableau 15 et Tableau 16), puis en corrigeant pour la perméabilité du sol (Tableau 16).

La troisième étape consiste à déterminer la charge en azote de l'eau fournie.

Si les données locales sur les concentrations d'azote dans les eaux souterraines peu profondes alimentées ne sont pas disponibles, les possibilités suivantes d'estimation de la charge en nitrates des eaux souterraines sont suggérées :

  1. On peut faire une hypothèse générale d'une charge moyenne en nitrates sur la base du rapport annuel sur la qualité des eaux en Wallonie (http://etat.environnement.wallonie.be/contents/indicatorsheets/EAU%201.html).
  2. On peut utiliser les données de mesure du réseau de mesures qualitatives des eaux de surface (https://geoportail.wallonie.be/catalogue/1fb8600d-5032-49c8-a51a-c1c95487c1a4.html), mais celles-ci ne sont disponibles qu’en certains points du territoire. Par ailleurs, les données du projet de recherche AQUAMOD (Modélisation prospective des impacts des pratiques agricoles sur la qualité du cycle de l’eau en Wallonie). Dans ce projet de recherche, la modélisation hydrologique EPICgrid est utilisée pour contribuer à l’évaluation des rejets d’azote en milieu naturel et estimer l’évolution future des pollutions diffuses d’origine agricole sur les eaux de surface et souterraines.
  3. Une estimation peut être faite en fonction de l'utilisation agricole et de la texture du sol dans le bassin versant auquel appartient la zone d'étude. Pour ce faire, nous estimons le lessivage moyen des nitrates vers les eaux souterraines peu profondes pour les cultures agricoles de la zone sélectionnée. Cela dépend de la quantité d'azote provenant de la fertilisation qui reste sur un champ après la récolte (résidus d'automne) et du lessivage relatif des résidus entre l'automne et le printemps, qui dépend de la texture du sol. Les résidus de nitrates du Tableau 18 sont basés sur les valeurs moyennes des résidus d'azote à l'automne par culture selon le rapport sur les résidus de nitrates 2014 et Coppens et al. (2013). Il convient de noter que ces valeurs ne sont valables que pour les parcelles sans accord de gestion. Si une certaine gestion est appliquée, un facteur de correction est nécessaire pour l'apport réduit d'azote par la fertilisation.

Pour déterminer la zone dans laquelle les valeurs de reliquats d'azote doivent être incluses, nous déterminons d'abord quels segments de cours d'eau se trouvent dans la zone d'étude (sur base des tronçons de cours d’eau secteur PARIS – voir WalOnMap : https://geoportail.wallonie.be/catalogue/50bf7812-799b-4d2f-bccc-cdbb3e2d6e08.html). Nous déterminons ensuite quelles zones alimentent en eau ces segments de cours d'eau en fonction des bassins versants contributifs des secteurs PARIS (voir WalOnMap : https://geoportail.wallonie.be/catalogue/b3db3b3f-ba49-4493-9211-0c6ee9c516aa.html) . Nous réalisons ensuite une coupe transversale de ces bassins versants avec un tampon de 2 km autour de la zone d'étude (la distance à partir de laquelle nous pouvons dire que le nitrate atteint la zone d'étude). Au sein de cette section transversale, nous déterminons l'utilisation des terres et le risque d'azote lié à cette utilisation particulière. La teneur en azote qui arrive dans la zone d'étude est alors une moyenne pondérée de ce résidu lessivé plus l'azote lessivé dans la zone d'étude elle-même.

Cette dernière méthode est appliquée dans l'outil Nature Value Explorer. Cette méthode ne remplace bien évidemment pas la modélisation hydrologique et les changements de pratiques agricoles modélisées dans le projet de recherche AQUAMOD et nous invitons le lecteur à se référer à ces données plus précises si il souhaite avoir une évaluation des teneurs en azotes actuelles.

Lessivage​

Sur les terres agricoles, les apports de nitrates dépassent souvent les besoins des plantes et il y aura un lessivage de l'azote vers les eaux souterraines ou de surface. Lorsque les terres agricoles sont converties en zones non amendées (conservation de la nature par exemple), le lessivage est évité. Cela peut être inclus comme un avantage. Sur la base du Tableau 18, le lessivage évité ou supplémentaire dans la zone d'étude peut être calculée pour un changement d'utilisation des terres donné. L'évitement du lessivage s'ajoute à l'azote éliminé par dénitrification.

Evaluation monétaire​

La méthode des coûts de réduction évités est utilisée pour le service de dénitrification. Elle est basée sur les coûts que les différents secteurs (ménages, industrie, agriculture) doivent supporter pour atteindre l'objectif de bon état des masses d’eau dans le cadre de la mise en œuvre de la directive-cadre européenne sur l'eau. Il s'appuie sur les calculs de la directive-cadre sur l'eau pour la Flandre (Broekx, Meynaerts, et Vercaemst 2008).

Ici, des mesures ont été envisagées pour l'industrie, les ménages et l'agriculture. Les coûts et les effets de ces mesures ont été recueillis dans diverses études préparatoires. Les mesures sont classées en fonction de leur rapport coût-efficacité (€/kg de réduction) de manière quantitative. Le coût des dernières mesures (les plus coûteuses) retenues dans le programme de mesures approuvé pour 2009 est une approximation du montant que la société est prête à payer pour une réduction supplémentaire de l'azote et fournit une estimation de la valeur de ce service écosystémique.

Pour l'azote, ce coût marginal de réduction est de 74 €/kg N. Il s'agit d'une valeur élevée par rapport à la littérature internationale. Nous utilisons donc cette valeur comme une valeur haute. Comme valeur basse, nous utilisons une moyenne des valeurs les plus basses de la littérature (5€/kgN). Il convient toutefois de noter qu'en Flandre, la valeur élevée est plus probable que la valeur faible.

Points d’attention : hypothèses​

  • Pour les Ă©cosystèmes terrestres, nous partons de la lixiviation de l'azote vers les eaux souterraines pour calculer l'apport en azote dans la zone, les zones karstiques ne sont pas prises en compte.
  • Nous supposons que la zone de ruissellement des eaux de surface est une approximation de la direction de ruissellement des eaux souterraines peu profondes.
  • Les coĂ»ts des mesures de rĂ©duction donnent une approximation de la volontĂ© de payer de la sociĂ©tĂ©.
  • S'il n'y a pas de section de cours d’eau dans la zone d'Ă©tude, il n'y a pas de zone d'approvisionnement en dehors de la zone d'Ă©tude, donc zone d'approvisionnement = zone d'Ă©tude.

Les chiffres à utiliser​

Tabel: Score pour l’évaluation qualitative (source : ECOPLAN 2016)

Limite inférieure kg/ha.anscore
01
7,22
25,23
544
79,25
104,46
136,87
176,48
223,29
280,810

Tableau: Potentiel maximal de dénitrification basé sur la différence entre le niveau haut (GHG) et le niveau bas (GLG) de la nappe en %

Limite inférieureGHG50454035302520151050
GLG
501520253035404550556060
4530354045505560657070
40455055606570758080
356065707580859090
3075808590959595
259095100100100100
201001001009595
15100959090
10858080
57070
070

Tableau: Débit maximal d'alimentation en fonction du niveau des eaux souterraines (sols lourds: A, L, E, U, G, V, et combinaisons mm/jour) (source: Pinay et al. (2007))

GLG< 00-1010-2020-3030-4040-5050-6060-7070-8080-9090-100100-110110-120>120
GHG
0-01010101010888822222
0-108888888822222
10-20888888822222
20-3088888822222
30-402222222222
40-50222222222
50-6011111111
60-701111111
70-80111111
80-9011111
90-1001111
100-110111
110-12011
> 1201

Tableau: Débit maximal d'alimentation en fonction du niveau des eaux souterraines (sols légers: Z, S, P, X mm/jour) (source: Pinay et al. 2007)

GLG00-1010-2020-3030-4040-5050-6060-7070-8080-9090-100100-110110-120>120
GHG
01010101010888822222
0-108888888822222
10-20888888822222
20-3022222222222
30-402222222222
40-50111111111
50-6011111111
60-701111111
70-80111111
80-9011111
90-1001111
100-110111
110-12011
> 1201

Tableau: Correction de la vitesse d'alimentation en fonction de la texture du sol (source: Pinay et al. 2007)

Texture du sol/Vitesse d’alimentation maximale (mm/jour)12810
Sable (Z)12810
Sable limoneux (S)1279
Limon salbeux léger (P)1278
Limon sableux (L)1156
Limon, limon peu caillouteux (A,G)1145
Argile légère (E)1156
Argile lourde (U)0134

Tableau: Lessivage de l'azote en fonction de la culture et de la texture du sol (source : Van Overtveld et al. (2011))

Culture principaleCultureTextureFertilisation (kg N/ha)Résidu azoté (kg N/ha)% fertilisation% lessivagelessivage (kg N/ha.an)
fourrageprairieZ, S3506017%54%32
fourrageprairieP, L, A3706718%39%26
fourrageprairieE, U3807319%32%23
cultures fourragèresbetteraves fourragèresZ, S3054916%61%30
cultures fourragèresbetteraves fourragèresP, L, A3305517%43%24
cultures fourragèresbetteraves fourragèresE, U3306018%35%21
maĂŻsmaĂŻsZ, S2058642%66%57
maĂŻsmaĂŻsP, L, A2209644%42%40
maĂŻsmaĂŻsE, U22010548%39%41
céréales, graines et légumineusesorge ou céréales d'hiverZ, S2006935%61%42
céréales, graines et légumineusesorge ou céréales d'hiverP, L, A2157736%43%33
céréales, graines et légumineusesorge ou céréales d'hiverE, U2158439%35%30
céréales, graines et légumineusesblé d'hiver triticaleZ, S2508032%52%42
céréales, graines et légumineusesblé d'hiver triticaleP, L, A2648934%37%33
céréales, graines et légumineusesblé d'hiver triticaleE, U2659837%30%29
Légumes, herbes et plantes ornementalesles cultures à faible demande en azoteZ, S1656942%61%42
Légumes, herbes et plantes ornementalesles cultures à faible demande en azoteP, L, A1757644%43%33
Légumes, herbes et plantes ornementalesles cultures à faible demande en azoteE, U1758448%35%29
Légumes, herbes et plantes ornementaleslégumes groupe 2Z, S1808648%61%53
Légumes, herbes et plantes ornementaleslégumes groupe 2P, L, A1809653%43%41
Légumes, herbes et plantes ornementaleslégumes groupe 2E, U18010558%35%37
Pommes de terrePommes de terreZ, S28011140%61%68
Pommes de terrePommes de terreP, L, A28012444%43%53
Pommes de terrePommes de terreE, U28013649%35%48
Betterave sucrièreBetterave sucrièreZ, S2055426%61%33
Betterave sucrièreBetterave sucrièreP, L, A2206027%43%26
Betterave sucrièreBetterave sucrièreE, U2206630%35%23
Légumes, herbes et plantes ornementaleslégumes groupe 3Z, S1256653%61%40
Légumes, herbes et plantes ornementaleslégumes groupe 3P, L, A1257459%43%32
Légumes, herbes et plantes ornementaleslégumes groupe 3E, U1258165%35%28
Légumes, herbes et plantes ornementaleslégumes groupe 1Z, S25011445%61%69
Légumes, herbes et plantes ornementaleslégumes groupe 1P, L, A25012650%43%54
Légumes, herbes et plantes ornementaleslégumes groupe 1E, U25013956%35%49
autres culturesautres culturesZ, S2009045%61%55
autres culturesautres culturesP, L, A21510046%43%43
autres culturesautres culturesE, U21511051%35%38
céréales, graines et légumineusesLégumineuses autres que les pois et les haricotsZ, S1203932%61%24
céréales, graines et légumineusesLégumineuses autres que les pois et les haricotsP, L, A1254335%43%19
céréales, graines et légumineusesLégumineuses autres que les pois et les haricotsE, U1254838%35%17
céréales, graines et légumineusesPois et haricotsZ, S1256653%61%40
céréales, graines et légumineusesPois et haricotsP, L, A1257459%43%32
céréales, graines et légumineusesPois et haricotsE, U1258165%35%28

Traduction sous forme d’indicateur​

Nous traduisons l'azote extrait des eaux souterraines en nombre d'équivalent habitant (la quantité moyenne d'eaux usées produites par une personne par jour) pour lequel une station d'épuration élimine l'azote quotidiennement. Une station d'épuration élimine environ 9,7 g de N par EI par jour, soit un total de 3,5 kg par EI par an.

Exemple de calcul​

Une prairie de 100 ha avec un sol de limon sableux (hauteur de nappe maximale à 85 cm, hauteur de nappe minimale à 125 cm, texture du sol L ) sera convertie en une prairie humide extensive non fertilisée (les valeurs de hauteur de nappe évoluant ensuite à 80 et 20 cm). La zone environnante est une zone agricole dominée par les vergers et les cultures de légumineuses. Dans un rayon de 2 km, outre les prairies (les pâturages), on trouve 151 ha d'utilisation urbaine des sols, 628 ha de cultures fruitières et 377 ha de fèves (= surface totale de 1 256 ha). En pourcentage, il s'agit de 8 % de prairies (pâturages), 12 % d'utilisation de terres urbaines, 50 % de cultures fruitières et 30 % de légumineuses.

Le taux de dénitrification potentiel pour le pâturage est, sur la base des niveaux des eaux souterraines et de la texture du sol, de 15 %. Pour les prairies humides non fertilisées, elle est de 45%.

Le lessivage de l'azote vers les eaux souterraines est calculé comme suit :

Prairie de la situation initiale

Le lessivage de l'azote vers les eaux souterraines s'élève à 33 kgN/ha.y pour les cultures fruitières pérennes (culture à faible demande en azote), 32 kgN/ha.y pour les légumineuses (groupe de légumes 3) et 26 kgN/ha.y pour les prairies. Le lessivage moyen de l'azote vers les eaux souterraines dans les prairies est de (50 % x 33 kgN/ha.j + 30 % x 32 kgN/ha.j + 8 % x 26 kgN/ha.j + 12 % x 0 kgN/ha.j) = 28 kg N/ha.an.

Prairies humide extensive non fertilisée (situation projetée)

La conversion de la prairie en prairie non fertilisée modifiera la charge d'azote dans la zone environnante de la manière suivante (50% x 33 kgN/ha.y + 30% x 32 kgN/ha.an + 20% x 0 kgN/ha.an) = 26 kg N/ha.an. (Dans les zones non agricoles et dans les prairies fleuries, la charge d'azote est supposée être nulle).

Le taux d'approvisionnement maximal avec les niveaux actuels des eaux souterraines est de 1 mm/m².jour dans la prairie actuelle et de 2 mm/m².jour dans la prairie humide future. Nous appliquons un facteur de correction pour le type de sol L de sorte que le taux d'apport réel dans la prairie reste de 1 mm/m²/jour et dans la prairie humide il devient de 1 mm/m²/jour (Tableau 17).

La dénitrification absolue finale est

Prairie de la situation initiale

1mm jour d'apport d'eau souterraine par m² signifie 10m/jour par ha (1mm/1000 x 10000m²)

Un lessivage de 28 kg N/ha équivaut à une concentration de 0,0028 kg N/m (28/10000)

Cela signifie une élimination de 0,0028 kg N/m x 15% x 10m/jour.ha = 0,042 kg N/jour.ha.

La prairie élimine 151 kg/an (0,0042 x 360 jours x 100 ha).

Prairies humide extensive non fertilisée (situation projetée)

1 mm jour par m² de nappe phréatique signifie 10m/jour par ha (1 mm/1000 x 10000m²)

Un lessivage de 26 kg N/ha est égal à une concentration de 0,0026 kg N/m (26/10000)

Cela signifie une élimination de 0,0026 kg N/m x 45% x 10m/jour.ha = 0,0117 kg N/jour.ha

La prairie fleurie et riche en espèces élimine 421 kg/an (0,104 x 360 jours x 100 ha).

L'élimination de l'azote dans la prairie humide riche en fleurs de 100 ha augmente en termes absolus de 270 kg/an.

En outre, la conversion de la prairie en une prairie non fertilisée, permet d'éviter le lessivage de 26 kg de N/ha dans la zone, soit 2600 kg de N qui ne se retrouvent pas dans l'eau.

La valorisation monétaire de ce changement se situe entre 14 351 € et 212 380 € par an.